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船坞虹吸灌水廊道水力特性的数值模拟研究

作　者: 赵鹏
导　师: 白玉川
学　校: 天津大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 灌水廊道数值模拟 SIMPLE算法流量系数压强分布
分类号: U673.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 20次
引　用: 3次
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内容摘要

虹吸廊道灌水是利用虹吸原理向坞室输水的一种灌水型式,具有结构简单、断流迅速和运行管理方便可靠等优点。近几年来在我国船舶工业迅速发展的背景下,虹吸廊道灌水系统在新建大型修、造船坞中得到广泛使用。由于灌水廊道水流条件复杂,须对其初步设计进行水力模型试验以验证驼峰断面负压和灌水时间等水力指标是否满足要求。如果灌水廊道达不到技术指标,则需要提出改进措施后重新加工模型进行试验,但是这样往往会延误工期并增加试验成本。针对虹吸灌水廊道设计定型中的困难,本研究在中船龙穴修造船基地1#修船坞虹吸灌水廊道水力模型试验的基础上,使用数值模拟的方法对灌水廊道的水力特性进行了分析。论文首先总结了船坞灌水系统的主要型式及适用条件,对虹吸廊道灌水系统的主要水力指标灌水时间和驼峰断面负压进行了理论分析。廊道虹吸形成过程的流体力学相似分析则表明水力模型试验测出的虹吸形成时间要比原型值偏短。本文使用Reynolds平均法和Standard k-ε两方程模型建立了灌水廊道三维流动的数学模型,在非结构网格中采用有限体积法推导出控制方程的离散代数方程组,并使用基于非正交同位网格的SIMPLE算法对其进行求解。在此基础上使用数值模拟方法的计算了中船龙穴1#坞虹吸灌水廊道的流量系数,此流量系数下的灌水流量与模型试验值的对比分析表明,使用流量系数计算值估算不同水位下的灌水流量是可行的。论文还对虹吸灌水廊道的流场进行数值模拟研究,不同水位下驼峰断面的压强计算值与模型试验值吻合较好,在已知灌水流量的情况下数值模拟能够较好地预测空化的发生。论文最后通过速度分布和湍流动能分布分析了中船龙穴1#坞廊道消能段的消能特性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 研究背景  8-10
  1.2 船坞灌水系统概述  10-13
  1.3 虹吸廊道灌水研究现状  13-15
  1.4 本文的主要工作  15-16
第二章船坞虹吸灌水廊道特性分析  16-26
  2.1 灌水流量和时间  16-20
  2.2 廊道虹吸段的负压特性  20-22
  2.3 虹吸形成时间的相似分析  22-25
  2.4 小结  25-26
第三章灌水廊道数值模拟的数学模型及求解  26-51
  3.1 基本方程  26-27
  3.2 Reynolds 时均方程和湍流模型  27-34
    3.2.1 Reynolds 时均方程  29-31
    3.2.2 RNG k-ε两方程模型  31-34
  3.3 边界条件  34-37
    3.3.1 固壁边界及近壁区域处理  34-36
    3.3.2 进口边界  36
    3.3.3 出口边界  36-37
  3.4 控制方程组在非结构网格的离散  37-44
    3.4.1 通用控制方程  37-38
    3.4.2 任意形状控制体面积和体积的计算  38-39
    3.4.3 控制方程的离散  39-43
    3.4.4 网格偏斜校正  43-44
  3.5 基于非正交同位网格的SIMPLE 算法  44-50
    3.5.1 速度修正值的计算  45-47
    3.5.2 压力修正方程的建立  47-49
    3.5.3 亚松驰处理  49-50
  3.6 小结  50-51
第四章灌水系统流量系数的数值计算方法  51-58
  4.1 理论模型  51-53
    4.1.1 模型试验存在的问题  51-52
    4.1.2 流量系数的数值计算模型  52-53
  4.2 灌水廊道流量系数的计算  53-56
  4.3 计算结果分析  56-57
  4.4 小结  57-58
第五章虹吸灌水廊道流场的数值模拟  58-70
  5.1 计算区域和网格划分  58-60
    5.1.1 计算区域的确定  58-59
    5.1.2 网格划分  59-60
  5.2 驼峰断面压强分布分析  60-63
  5.3 速度场计算结果及分析  63-68
  5.4 小结  68-70
第六章结论及展望  70-72
参考文献  72-75
发表论文和参加科研情况说明  75-76
致谢  76

船坞虹吸灌水廊道水力特性的数值模拟研究

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